鈣長輝長無球粒隕石NWA 11586稀有氣體及其年代學

張川統, 繆秉魁, 賀懷宇, 蘇 菲, 解慶林

(1.桂林理工大學 a.環境科學與工程學院; b.廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室; c. 隕石與行星物質研究中心,廣西 桂林 541006; 2.中國科學院 月球與深空探測重點實驗室, 北京 100101;3.中國科學院地質與地球物理研究所 地球與行星物理重點實驗室, 北京 100029)

0 引 言

HED族隕石包括古銅鈣長無球粒隕石(Howardite)、 鈣長輝長無球粒隕石(Eucrite)和奧長古銅無球粒隕石(Diogenite)三類[1]。Eucrite隕石為噴出巖或侵入巖, 主要由輝石和斜長石組成, 根據結構特征可分為玄武質Eucrite隕石和堆晶型/輝長巖Eucrite隕石; Diogenite隕石是一系列的深部粗粒超鐵鎂質巖, 其比Eucrite隕石更富鎂, 按巖漿結晶先后順序包括苦橄巖、 方輝橄欖巖、 斜方輝石巖和蘇長巖; 與前兩者不同, Howardite隕石并非巖漿直接結晶形成的, 而是Eucrite隕石和Diogenite隕石的撞擊混合產物, 可進一步劃分為表土角礫型和破碎型[2-4]。McCord等發現HED族隕石與灶神星具有相似的表面反射光譜, 因而首次提出HED族隕石可能來自灶神星[5]。隨后, 軌道動力學研究很好地給出了HED族隕石從灶神星到地球的傳遞機制[6-7]。美國NASA的“黎明號”探測器也的確發現灶神星表面主要由HED族隕石物質組成, 探測數據表明HED族隕石和灶神星具有強烈的成因關系[8-11]。因此, 目前普遍認為灶神星是HED族隕石的母體小行星[12-14]。

稀有氣體包括氦(He)、 氖(Ne)、 氬(Ar)、 氪(Kr)、 氙(Xe)和氡(Rn)等6種, 它們不僅在地球科學領域具有重要的示蹤作用[15], 也是研究HED族隕石及其母體小行星撞擊作用與熱事件必不可少的媒介和技術[2-3, 16]。HED族隕石在離開母體暴露于高能宇宙射線期間, 將源源不斷地產生宇宙射線成因稀有氣體[17], 據此可計算出隕石暴露于宇宙射線的時間, 即為宇宙暴露年齡(CRE年齡), 其指示了隕石脫離母體的時間或母體小行星發生的濺射事件[18-20]。Welten等矯正了稀有氣體產率模型并重新對Diogenite隕石CRE年齡進行計算后, 首次發現HED隕石存在22.5 Ma和40 Ma的CRE年齡分布峰值[21-22]。之后經過發展, 進一步確定了HED族隕石具有～ 22 Ma和38 Ma的CRE年齡分布峰值[23-24], 而最新的HED族隕石稀有氣體研究也獲得了相近似的年齡分布[2-3]。因此, 目前普遍認為HED族隕石母體小行星在～20 Ma和40 Ma發生了兩次主要的撞擊濺射事件, 約1/3以上的HED族隕石在此期間離開母體小行星, 并最終被地球重力場捕獲[18-19]。

隕石形成并冷卻至4He和40Ar封閉溫度后, 由U-Th衰變產生的放射性成因4He, 以及由40K衰變產生的放射性成因40Ar開始累積保存, 由此得到的放射性核素衰變年齡稱之為氣體保存年齡[25-26]。這些年齡記錄了隕石樣品經歷的撞擊事件或熱過程[27]。HED族隕石系統性K-Ar/Ar-Ar定年研究發現, 非角礫巖化Eucrite隕石Ar-Ar年齡聚集在4.48 Ga, 其可能代表了HED族隕石在灶神星上經歷的早期巨型撞擊后的冷卻年齡[27-28]; 角礫巖化Eucrite隕石Ar-Ar年齡集中在3.4～4.1 Ga, 其佐證了地球、 月球和火星樣品共同記錄的“內太陽系重轟擊事件”[29-30]。

NWA 11586是一塊新發現的非角礫巖化Eucrite隕石, 其明顯經歷了高度熱變質作用, 顯示出變晶結構, 被劃分為非角礫巖化-花崗變晶結構-玄武質-Eucrite隕石, 且屬于極罕見的7型Eucrite隕石[31]。因此, 通過稀有氣體來研究NWA 11586隕石撞擊及熱事件歷史是十分有必要的。本次工作對NWA 11586隕石全巖樣品進行稀有氣體濃度及同位素比值測量, 依據宇宙暴露年齡和氣體保存年齡, 簡要討論隕石的后期演化歷史。

1 樣品處理及稀有氣體分析流程

NWA 11586隕石于2016年購自摩洛哥, 原巖質量為91.5 g, 結構致密, 表面礦物顆粒清晰可見并殘余有黑色熔殼, 切面處見細小金屬光澤顆粒存在。光學顯微鏡下可見～0.5 mm的斜長石及輝石顆粒呈半自形-他形交雜分布, 顆粒邊界多圓化, 局部可見相鄰礦物顆粒呈現120°三聯點發育, 沒有觀察到熔脈等沖擊結構及高壓礦物存在, 也未發現有明顯的風化侵染現象, 這表明隕石遭受的撞擊效應和風化程度微弱。NWA 11586隕石為非角礫巖, 主要礦物為低鈣輝石(36.9%， 體積分數， 下同)、 高鈣輝石(10.8%)和斜長石(45.2 %), 次要礦物為SiO2相(6.2 %), 也見不透明礦物(～0.9%)如鈦鐵礦、 鉻鐵礦、 隕硫鐵和單質Fe(0.3 %), 局部區域發現有少量的磷酸鹽和鋯石等副礦物存在。此外, 該隕石原始的火成輝綠結構已被明顯破壞, 顯示出花崗變晶結構, 低鈣輝石內部普遍發育有高鈣輝石出溶片晶, 且高鈣輝石內也發現有低鈣輝石片晶出溶。 電子探針成分測試表明該隕石中同種礦物化學成分高度一致。因此NWA 11586被劃定為非角礫巖化-花崗變晶結構-玄武質-Eucrite隕石(7型)[31]。

本次工作切下長約2 cm的隕石樣品用于稀有氣體分析, 簡略流程(圖1)如下: 先在隕石樣品內部遠離表面處切下長條狀樣品(紅色虛線區域); 然后取長條狀樣品中部(黃色區域)用酒精于超聲波清洗器中清洗3遍(每次15 min), 以去除可能的地球風化產物; 最后, 用瑪瑙研缽將烘干后的隕石樣品磨碎, 裝入醫用密封管后用于稀有氣體測定。

圖1 Eucrite隕石NWA 11586稀有氣體分析樣品制備示意圖

NWA 11586隕石稀有氣體測量在中國科學院地質與地球物理研究所稀有氣體實驗室完成, 測試儀器為英國Nu儀器公司生產的Noblesse質譜儀, 詳細測量過程參見文獻[16, 32-35]。簡略來說, 先將隕石樣品裝入激光樣品盤中, 120 ℃下烘烤純化系統及樣品盤3 d, 以去除樣品所吸附大氣組分。測量時采用CO2激光器熔融樣品, 采用連續波(CW)模式, 頻率1 Hz, 波長500 mm, 束斑直徑3 mm, 功率55%, 加熱20 min。樣品釋放氣體先經冷阱及兩組鋯鋁泵純化, 去除所含雜質氣體(如H2O、 CO2、 烴類等); 然后根據He、 Ne及Ar熔沸點的差異, 利用裝有活性炭的冷阱(加液氮冷卻)及冷泵(35 K)分別吸附氣體中Ar及Ne組分, 使Ne、 Ar 與He分離; 最后將He、 Ne及Ar組分依次進氣, 利用Noblesse多接收質譜儀測定。對隕石樣品熔融測量2次, 以確保樣品所含稀有氣體已完全釋放。

隕石樣品測量前、 測量期間以及測量后, 多次測定標準空氣[15,36]和HESJ標樣[37]的稀有氣體成分, 計算出Noblesse質譜接收器He、 Ne和Ar的靈敏度以及儀器質量歧視系數, 根據樣品信號值求得隕石中He、Ne及Ar的測量濃度與同位素比值。

2 稀有氣體測試結果

隕石中測量的稀有氣體(measured, 以m表示), 是宇宙射線成因稀有氣體(cosmogenic, 以c表示)、 放射性成因稀有氣體(radiogenic, 以r表示)以及捕獲稀有氣體(trapped, 以t表示)3種組分的混合[38]。在實際應用中, 利用宇宙射線成因稀有氣體計算隕石宇宙暴露年齡[19], 根據放射性成因稀有氣體求得隕石氣體保存年齡[39], 再通過捕獲稀有氣體反演隕石環境信息[40]。因此, 經過測量與校正, 在獲得NWA 11586隕石的He、 Ne和Ar濃度及同位素比值后(表1), 需對各組分稀有氣體進行區分。

表1 NWA 11586隕石稀有氣體測試結果

對比NWA 11586隕石與不同組分稀有氣體同位素比值, 隕石樣品Ne同位素落在宇宙射線成因值域內(圖2a), 表明其21Ne和22Ne幾乎完全是宇宙射線成因的; 樣品36Ar/38Ar值也與宇宙射線成因36Ar/38Ar值極為接近(圖2b), 表明38Ar同樣基本為宇宙射線成因, 且40Ar主要為放射性衰變產生。此外, NWA 11586隕石樣品4He/3He值約為63, 遠低于太陽風(～2 200[41])、 地球大氣(～710 000[15])、 原始球粒隕石捕獲組分(Q組分, ～8 100[40]), 反而與宇宙射線成因4He/3He值(～6)更為接近, 因此可認為隕石所含3He為宇宙射線成因。這里采用(4He/3He)c=6.2±0.2, (20Ne/22Ne)c=0.80±0.03, (36Ar/38Ar)c=0.65, (40Ar/36Ar)c=0.3, (20Ne/22Ne)t=10.39±0.03, (21Ne/22Ne)t=0.029 4±0.001 0[38,40]來計算NWA 11586隕石樣品中宇宙射線成因和放射性成因He、 Ne和Ar的同位素濃度及比值, 計算過程參見文獻[42], 結果列于表2。

圖2 NWA 11586隕石與不同組分稀有氣體Ne(a)和Ar(b)同位素對比

3 討 論

3.1 宇宙射線成因稀有氣體產率

隕石暴露于宇宙高能射線粒子期間, 將產生宇宙射線成因核素, 根據宇宙射線成因穩定同位素(如稀有氣體3He、21Ne和38Ar)濃度(C)和產率(P), 可以求得隕石暴露于宇宙射線的時間, 即為宇宙暴露年齡(CRE年齡=C/P), 其表征了隕石在宇宙空間中漂浮的時間或母體小行星的濺射事件[17-19]。NWA 11586隕石宇宙射線成因稀有氣體3Hec、21Nec和38Arc的濃度見表2, 下面將討論隕石3Hec、21Nec和38Arc的產率P3、P21和P38(表3), 以便精確求得隕石的CRE年齡T3、T21和T38。

表2 NWA 11586隕石宇宙射線成因(c)和放射性成因(r)稀有氣體以及CRE年齡和氣體保存年齡

表3 兩種模型所計算的NWA 11586隕石稀有氣體產率及CRE年齡

Eugster與Leya等分別依據HED族隕石和普通球粒隕石推導了宇宙射線成因核素產率模型, 它是目前最廣泛使用的稀有氣體產率計算模型[23, 48]。簡略說來, Eugster模型先分析樣品化學成分求得樣品表征產率(P′), 然后根據屏蔽參數(22Ne/21Ne)c與樣品埋藏深度的經驗關系求得樣品實際產率P[23]。與之不同, Leya模型利用最新的物理學理論及數據庫, 推導了隕石全巖成分、 半徑與樣品埋藏深度間的函數關系, 并根據函數關系計算隕石稀有氣體產率[48], 因而其理論上比Eugster模型更接近隕石真實暴露環境。

本次工作并未直接測定樣品化學組成, 雖然在隕石稀有氣體產率計算中, 一般用隕石礦物或全巖化學成分來代替分析樣品的實際化學組成[49-50], 但為了準確求得隕石CRE年齡, 將根據Eugster模型來探討此過程可能導致的偏差。NWA 11586隕石主要由低鈣輝石、 高鈣輝石和斜長石組成, 且同種礦物化學成分極為均勻, 因此測量樣品可近似為主要礦物不同混合比例的產物。這里依次采用NWA 11586隕石中低鈣輝石、 高鈣輝石和斜長石成分[31], 以及花崗變晶結構Eucrite隕石平均全巖成分(表4), 來分別計算隕石樣品的3Hec、21Nec和38Arc產率。

對于NWA 11586隕石而言, 無論采用何種成分來計算產率, 所得P3和P21分別近乎相同, 但P38相差懸殊(圖3)。這表明， NWA 11586隕石3Hec和21Nec產率不受分析樣品礦物組成變化的影響。此外,38Arc主要由鈣元素與宇宙射線互相作用產生[48], 因此分析樣品中低鈣輝石、 高鈣輝石與斜長石混合比例的不同會嚴重影響樣品的鈣含量, 進而影響隕石38Arc產率計算。另外,T21年齡比T3和T38年齡更可靠[19, 51]。 在綜合考慮實驗成本與CRE年齡精確性后, 本文采用花崗變晶結構Eucrite隕石平均全巖成分(表4)來計算NWA 11586隕石宇宙射線成因稀有氣體的產率和CRE年齡。

表4 非角礫巖化-花崗變晶結構-玄武質-Eucrite隕石(UGTBE)平均全巖成分

圖3 NWA 11586隕石分析樣品稀有氣體產率與化學成分關系

3.2 宇宙暴露年齡與氣體保存年齡

本文依據Eugster模型稀有氣體產率計算公式[23], 采用花崗變晶結構Eucrite隕石(UGTBE)平均全巖成分計算了NWA 11586隕石3Hec、21Nec和38Arc產率以及相應的T3、T21和T38年齡(表3)。同時, 校正L群球粒隕石和未角礫巖化Eucrite隕石間化學成分、 屏蔽參數(22Ne/21Ne)c敏感性和密度的不同后[52-53], 利用Leya模型宇宙粒子與隕石半徑和屏蔽深度的函數關系[48], 同樣計算出了隕石樣品相應的稀有氣體產率和CRE年齡(表3)。

比較NWA 11586隕石T3、T21和T38年齡,兩種模型計算得到的T3年齡相一致,T21年齡也基本相同,但T38年齡略顯差異(圖4)。在兩種模型中,隕石T21年齡均明顯大于T3與T38年齡(表3、圖4)。T3年齡小于T21年齡是由于3He封閉溫度較低(<100 ℃), 易受太陽輻射加熱或撞擊去氣而丟失[43, 51]。另一方面, 地球風化作用使得隕石中38Arc比21Nec更易逃逸, 從而引起T38年齡偏低[54-55]。NWA 11586隕石屬于沙漠隕石, 其T38年齡明顯小于T21年齡可能是由于地球風化引起的。綜合考慮, 本文采用Eugster模型與Leya模型得到的T21年齡的平均值作為樣品最終CRE年齡, 也即NWA 11586隕石的CRE年齡為38.5±4.1 Ma(表2)。

圖4 兩種模型所得NWA 11586隕石CRE年齡對比

隕石形成并冷卻至4He和40Ar封閉溫度后, 由U、 Th衰變產生的4Her, 以及由40K衰變產生的40Arr開始累積保存, 由此得到的放射性衰變年齡為U、 Th-4He(T4)和40K-40Ar(T40)氣體保存年齡[25-27]。對于NWA 11586隕石, 采用非角礫巖化-花崗變晶結構-玄武質-Eucrite隕石平均U、 Th和K濃度(表4)來計算隕石的T4和T40氣體保存年齡, 其分別為1 019±41 Ma和3 041±77 Ma(表2)。

3.3 隕石后期演化歷史

目前， 普遍認為HED族隕石CRE年齡存在17～23 Ma與35～41 Ma兩個群聚[2-3], 其指示了母體小行星17～23 Ma和35～41 Ma發生的2次主要撞擊事件[19], 它們共濺射出了約1/3以上的HED族隕石[3, 18-19]。NWA 11586隕石CRE年齡約為39 Ma, 恰好與HED族隕石母體小行星35～41 Ma的主要撞擊濺射事件年齡相一致(圖5), 表明其極有可能是～40 Ma前從灶神星或與灶神星具動力學成因聯系的V型小行星濺離, 隨后在太空中漂浮并最終被地球重力場捕獲。

圖5 NWA 11586隕石與HED族隕石CRE年齡對比

對于隕石氣體保存年齡, 當隕石經受后期熱事件(如強撞擊事件或熱變質作用)時, 若溫度超過4He和40Ar的封閉溫度, 則隕石U、 Th-4He及40K-40Ar放射性衰變體系重置或部分重置, 因此氣體保存年齡反映了隕石后期熱事件歷史[25-27]。另外,4He具有極低的封閉溫度, 非常容易受到熱事件影響而擴散丟失, 因此40K-40Ar年齡更適合用于探究隕石及其母體后期熱歷史[27]。NWA 11586隕石T4年齡(～1.0 Ga)顯著小于隕石的T40年齡(～3.0 Ga), 這是由于具有較低封閉溫度的4He在受到熱事件擾動時比40Ar更容易擴散丟失引起的。此外, NWA 11586隕石T40氣體保存年齡明顯小于Eucrite隕石約4.55 Ga的結晶年齡[56-57], 這表明該隕石40K-40Ar體系已受到熱事件影響而發生了重置。

HED族隕石來自灶神星,前人研究認為灶神星形成后主要發生了4次大的撞擊事件,分別為 ～4.48 Ga的單次大型撞擊事件[27]、 3.9～4.1 Ga的內太陽系重轟擊事件[28, 58-59]、 3.7±0.1 Ga的Veneneia撞擊坑(灶神星第二大撞擊坑)成坑事件和3.5±0.1 Ga的Rheasilvia撞擊坑(灶神星最大的撞擊坑)成坑事件[60]。與此同時, Ar-Ar年代學研究發現HED族隕石在約3.3～4.1 Ga期間經歷了強烈的撞擊事件影響, 一些強烈撞擊甚至可以使得未角礫巖化的HED族隕石Ar-Ar體系發生重置[28]。NWA 11586隕石K-Ar年齡約為3.0 Ga, 顯著小于上述撞擊事件或時期。因此, 未角礫巖化且高度熱變質的NWA 11586隕石, 很有可能是在灶神星較晚期的撞擊坑形成期間, 由于熱傳導或撞擊濺射物埋藏而受到了強烈的熱影響[61], 從而導致其K-Ar體系重置。

4 結 論

(1)非角礫巖化-花崗變晶結構-玄武質-Eucrite隕石NWA 11586的He、 Ne和Ar氣體主要由宇宙射線成因和放射性衰變成因組成, 同位素比值表明其不含太陽風和地球大氣等捕獲組分氣體。

(2)NWA 11586隕石CRE年齡為38.5±4.1 Ma, 恰好與HED族隕石母體小行星35～41 Ma的主要撞擊事件年齡相一致, 表明其極有可能是～40 Ma前從灶神星或與灶神星具動力學成因聯系的V型小行星濺離, 隨后在太空中漂浮并最終被地球重力場捕獲。

(3)NWA 11586隕石T4和T40氣體保存年齡分別為1 019±41 Ma和3 041±77 Ma。隕石T4年齡顯著小于T40年齡是由于具有較低封閉溫度的4He在受到熱事件擾動時比40Ar更容易擴散丟失引起的。此外, NWA 11586隕石K-Ar年齡不僅小于Eucrite隕石約4.55 Ga的結晶年齡, 也比灶神星已確定的大型撞擊事件或時期年輕。因此, NWA 11586隕石很有可能是在灶神星較晚期的撞擊坑形成期間, 由于熱傳導或撞擊濺射物埋藏而受到了強烈的熱變質作用影響, 從而導致其K-Ar體系重置。

致謝: 廣東省惠州市彩源隕石科技有限公司繆秉安先生提供了隕石樣品， 在此表示衷心的感謝!